舒 濤，薛新鵬，劉 明，楊志勇，馮 剛

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安 710051)

0 引言

目前，與線圈炮和重接炮相比，軌道炮是電磁發(fā)射器中最成功的一種工程應(yīng)用[1-3]。電磁軌道炮的彈丸正從常規(guī)動能彈擴展到智能彈藥[4-6]。智能彈藥包含各種傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，這導(dǎo)致彈丸發(fā)射過程中將經(jīng)過一個很惡劣的電磁環(huán)境，特別是軌道炮電流產(chǎn)生的很高脈沖電磁場[7]。如此強的電磁場會破壞彈丸電子元件的工作性能。

軌道電流產(chǎn)生的強大磁場限制軌道炮彈丸向智能化方向發(fā)展，屏蔽軌道炮的強電磁場環(huán)境迫在眉睫[7]。軌道炮的電磁屏蔽策略分為主動屏蔽和被動屏蔽，主動屏蔽是利用附加器件上的線圈產(chǎn)生反向磁場削弱彈丸周圍的磁場，然而其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，被動屏蔽則是使用屏蔽材料來削弱磁場，對于軌道炮磁場的低頻特性，良好的導(dǎo)體限制時變磁場屏蔽效能[8]。傳統(tǒng)的電磁屏蔽方法難以達到有效作用。

從根本上講，常規(guī)電磁發(fā)射器不能解決發(fā)射過程中的電磁屏蔽問題?；谶@樣的背景，文中提出了一種新型電磁發(fā)射器：六極軌道電磁發(fā)射器，環(huán)向磁場與正交環(huán)向電流相互作用產(chǎn)生軸向加速力，且在發(fā)射軌道中心區(qū)域。該發(fā)射器有效地提供了電磁屏蔽,六極軌道電磁發(fā)射器可以解決電磁屏蔽和大質(zhì)量推進問題。

1 發(fā)射模型

六極軌道電磁發(fā)射模型如圖1所示。拋體運動方向為Z軸。該發(fā)射器主要由六極軌道、拋體和導(dǎo)彈組成，所有軌道的設(shè)計是相同的，拋體為梅花狀。此外，外部設(shè)備包括超導(dǎo)能量系統(tǒng)，用于獲得高脈沖電壓。

1.1 發(fā)射過程

在最初的發(fā)射階段，導(dǎo)彈拋體在六極軌道中靜止等待發(fā)射信號。在發(fā)射過程中，脈沖電壓源對120°等間距的3個軌道進行放電，而其余的3個軌道作為閉環(huán)回路。通過梅花狀拋體連接，在每兩個軌道之間形成閉環(huán)回路。同時，梅花狀拋體獲得6組環(huán)向電流，六極軌道產(chǎn)生的環(huán)向磁場環(huán)繞在拋體周圍。在拋體的中心部分，由于六極環(huán)向磁場相互作用抵消，電磁屏蔽效應(yīng)得以實現(xiàn)。環(huán)向磁場與正交環(huán)向電流相互作用，產(chǎn)生軸向安培力，電磁力推進拋體和導(dǎo)彈向高速發(fā)射。

圖1 六極軌道電磁發(fā)射模型

1.2 六極軌道設(shè)計

六極軌道電磁發(fā)射器關(guān)鍵技術(shù)是六極軌道的結(jié)構(gòu)設(shè)計。六極軌道布局和六極電流的流動方向如圖2所示，六極軌道是60°均勻間隔的圓形布局，電流通過梅花狀拋體流入一軌道并從相鄰兩個軌道流出，由于電流大小是相等對稱流動的，所以六極軌道產(chǎn)生反向抵消的環(huán)向磁場。因此，在導(dǎo)彈發(fā)射運動的中心部分，電磁場是相互抵消的，形成磁場屏蔽空間。

圖2 拋體和六極軌道的電流流動方向

1.3 拋體設(shè)計

拋體電流的流動方向如圖2所示，拋體的中空設(shè)計是為了放置和固定導(dǎo)彈。鑒于六極軌道的構(gòu)型設(shè)計，梅花狀拋體的電流方向是沿導(dǎo)向弧的。梅花狀拋體的設(shè)計，一方面是為了降低發(fā)射系統(tǒng)重量，另一方面是引導(dǎo)電流走向。

本設(shè)計沒有增加額外線圈或屏蔽材料來削弱磁場干擾，這使得發(fā)射系統(tǒng)的復(fù)雜性得以簡化。

2 電磁推進數(shù)值模型

2.1 推進力原理

由于梅花狀拋體的電流在圓周上是對稱的，在六極軌道磁場作用下，拋體的徑向力可以相互抵消，環(huán)向磁場B和正交環(huán)向電流I如圖2所示。六極軌道獲得脈沖電流并產(chǎn)生脈沖六極環(huán)向磁場，梅花狀拋體通過的電流和六極軌道產(chǎn)生的環(huán)向磁場正交，六極環(huán)向磁場與正交六極環(huán)向電流相互作用產(chǎn)生巨大的軸向推進力。

2.2 電路方程

六極軌道電磁推進的等效電路如圖3所示。高功率脈沖電容C對六極軌道進行放電，UC是電容器的充電電壓，K是大電流開關(guān)，D是連續(xù)電流二極管，R(t)是電路的總電阻，L1到L6是六極軌道的自感，D1、D3和D5的功能分別是控制自感L1、L3和L5的電流方向，M12、M13和M14分別是L1到L4之間的互感，考慮到六極軌道的對稱性，其它軌道之間的互感與M12、M13和M14相同。

圖3 六極軌道電磁推進等效電路

當(dāng)開關(guān)K打開時，電磁發(fā)射器開始工作，同時脈沖源放電到三軌，六極軌道回路方程可等效為：

當(dāng)脈沖源完成并停止放電時，二極管D使得電流保持連續(xù)。因此，六極軌道回路方程變?yōu)椋?/p>

(2)

2.3 推進力有限元仿真

通過三維有限元軟件，對新型電磁發(fā)射器的六極軌道和拋體進行仿真分析。六極環(huán)向磁場的矢量分布如圖4所示，六極環(huán)向磁場圍繞六極軌道，且相鄰的兩個磁場方向相反。六極正交環(huán)向電流的矢量分布如圖5所示，梅花狀拋體的環(huán)向電流，始終與六極環(huán)向磁場是正交的。假設(shè)六極軌道和傳統(tǒng)軌道炮的輸入電流均為100 kA，則作用在拋體的推進力如表1所示。傳統(tǒng)電磁軌道炮的軸向推進力是6.575×103N，force_x和force_y干擾力很小。六極軌道發(fā)射器軸向推進力為2.310×104N，與傳統(tǒng)軌道炮相比，force_z增加近四倍，同樣地，其余干擾力也同樣小。

表1 六極軌道與軌道炮推進力對比

圖4 六極環(huán)向磁場矢量

圖5 正交環(huán)向電流矢量

3 電磁屏蔽數(shù)值模型

3.1 電磁屏蔽原理

如圖6所示，點P是位于六極軌道內(nèi)任意一點，β6、β6′是點P與軌道#6之間的夾角，同樣地，點P與其它軌道之間的夾角為β1、β1′到β5、β5′。順次地，點P與軌道之間的距離依次為a到f，軌道#1到軌道#6流經(jīng)的電流，在點P的磁通密度可分別表示為:

(3)

圖6 六極軌磁場中點P與兩相鄰軌不共面

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

由此給出了點P的總磁通密度為：

B=B1+B3+B5-B2-B4-B6

(9)

在六極軌道內(nèi)部，磁場大幅減弱的范圍被限制在一定的圓環(huán)區(qū)域。

3.2 考察點與參考面布局

由于拋體的電子元件占據(jù)一定空間，故定義一個120 mm×120 mm的矩形參考面S(S位于XZ平面)，參考面S的布局位于拋體的中心?？疾禳cA到G的布局如圖7所示?？疾禳cA在六極軌道的中心，點B、C、D為30 mm等距間距排列，同樣地，點E、F、和G為60 mm等距間距排列。

圖7 考察點布局

3.3 磁場空間分布

在脈沖電流的峰值時刻，六極軌道電磁發(fā)射器在XY平面的磁場分布如圖8所示，其中梅花狀拋體中心區(qū)域的磁場非常??；六極軌道電磁發(fā)射器在XZ平面的磁場分布如圖9所示，其中有一圓柱體區(qū)域，拋體上下兩部分的磁場強度很小。六極軌道電磁發(fā)射器的最大磁感應(yīng)強度為7.63 T，且出現(xiàn)在支撐導(dǎo)軌(靠近六極軌道)，然而，六極軌道中心圓柱區(qū)域的磁通密度卻很小，即使該區(qū)域周圍有軌道電流產(chǎn)生的強磁場，磁感應(yīng)強度仍然不足以摧毀導(dǎo)彈內(nèi)部的電子元件。相應(yīng)地，傳統(tǒng)軌道炮在XZ平面的磁場分布如圖10所示，傳統(tǒng)軌道炮最大磁感應(yīng)強度7.20 T，出現(xiàn)在支撐導(dǎo)軌、兩軌道和拋體附近，然而，兩軌道之間的磁場卻非常強。

圖8 六極軌道在XY平面的磁場分布

圖9 六極軌道在XZ平面的磁場分布

圖10 傳統(tǒng)軌道炮在XZ平面的磁場分布

圖11 考察點磁感應(yīng)強度

考察點A到G的磁感應(yīng)強度如圖11所示，相應(yīng)點從下到上順序依次為從A到G，其變化規(guī)律與脈沖電流曲線一致，參考面S的最大磁感應(yīng)強度為0.12 T，然而，大多數(shù)考察點的磁感應(yīng)強度在0.04 T以下，低于一般電子元件磁場工作環(huán)境的上限[9]。同時，越靠近中心區(qū)域，磁感應(yīng)強度越小。

4 結(jié)論

文中介紹了一種新型六極軌道電磁發(fā)射器。因為此電磁發(fā)射器設(shè)計既不使用額外線圈或附加材料來屏蔽磁場，降低了發(fā)射系統(tǒng)的復(fù)雜性，此外，六極軌道設(shè)計提高了磁屏蔽效果。利用環(huán)向磁場與正交環(huán)向電流產(chǎn)生軸向加速度力，并在中央?yún)^(qū)域產(chǎn)生磁屏蔽效果。理論分析了推進力和磁屏蔽。數(shù)值仿真結(jié)果表明，六極軌道電磁發(fā)射器具有很大的軸向加速度力和產(chǎn)生磁屏蔽效果，載荷區(qū)域與軌道的距離是影響磁屏蔽效果的重要因素。六極軌道電磁發(fā)射器磁屏蔽性能優(yōu)于傳統(tǒng)電磁發(fā)射器，未來可用于導(dǎo)彈和衛(wèi)星的發(fā)射。